基于CFD模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（）；江西省水利厅重点项目（）；江西省自然科学基金资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（，）作者简介：斯静（），女，硕士，工程师，文章编号：（）基于 模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究斯静，朱晓明，姚莉，谭雷，凌松松（南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 ）摘要：低驼峰式出水流道结构设计不当易引发偏流现象，将严重影响大型低扬程泵装置的安全稳定运行。依据浙江省某泵站的有关参数，采用三维数值计算的方法，对泵站整体模型水流流场进行模拟，并通过物理模型试验进行计算可靠性验证。结果表明，湍流模型 的计算结果与试验结果最接近；泵站低驼峰式出水流道空间流线随过流断面的扩散而扭曲，其扭曲程度随流量的减小而加强；在低驼峰式出水流道中设置中隔墩有助于优化流场，但会使低驼峰式出水流道的水力损失增加；通过对不同几何参数的中隔墩进行多方案比较，发现在低驼峰式出水流道中设置长为 、宽为 的中隔墩流场优化效果最佳。研究结果可为同类型泵站工程优化设计提供一定借鉴。关键词：泵站；低驼峰式出水流道；中隔墩；水力性能；数值模拟中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；大型低扬程泵站主要包括进水流道、泵房和出水流道等水工建筑物，其中出水流道是水泵导叶体与出水池之间的过渡段，其作用主要是使水泵抽出的水流有序转向并平缓扩散，以尽可能多地回收水流的动能 。为了使泵站出水流道流场在出流过程中尽可能调整好出水流态、减少流道水力损失，保证出水流道及泵装置的工作效率，研究者们对此进行了大量的研究工作。陆林广 等首先提出了将泵站出水流道从水泵装置中分离出来单独进行模型试验的新方法，介绍了该方法所采用的测试装置、水力损失测试方法及误差分析等有关问题，发现出水流道的水力损失与其几何形状有非常密切的关系。陈松山 等设计和制作了大型低扬程泵站常见的虹吸式、直管式和钟形三种标准化模型出水流道，构建了模型试验装置和测试系统，对三种模型出水流道的水力损失特性进行了测试比较 。李彦军 等对大型泵站蜗壳出水流道的型线进行了多方案的优化设计和试验研究，使得在一定试验条件下该流道形式的模型泵装置效率达到 以上，比优化前提高了 。近年来，随着计算流体力学（）的快速发展和计算机硬件的迭代升级，被越来越多的学者应用。陆林广 等首先提出了出水流道数值模拟研究方法，介绍了出水流道三维流场及水力损失数值计算区域的确定、边界条件的处理及网格剖分等问题，并分别对虹吸式和直管式这两种出水流道进行了比较，同时与流道模型试验的流场及水力损失测试结果进行了对比，表明数值模拟结果是可信的。朱红耕 采用计算流体力学方法对大型泵站虹吸式和蜗壳式出水流道的内部流场进行了数值模拟，建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系，并用实例分析客观评价了虹吸式出水流道的水力特性。李彦军 等采用 流体计算软件模拟虹吸式出水流道，得到的流道三维空间流态，能为流道的优化设计提供可靠的参考，并可进一步改善水流在流道内的流态，减少水力损失。付强等 在 、三种工况下利用 技术，采用标准 湍流模型对 种出水流道方案的内部三维流动进行数值模拟，得到了最优方案，实现了流道水力特性的预测。梁金栋 采用三维数值计算方法，将出水流道从泵装置中分解出来，计算了出水流道内的流态和水力损失，研究了中隔墩对大型低扬程泵装置出水流道水力性能的影响，研究发现由于水泵导叶出口水流具有环量，出水流道内的流态存在较为明显的偏流，认为设置中隔墩无益于出水流道的水力性能。顾巍 基于定常不可压缩流体的控制方程和 湍流模型，应用 算法模拟了轴流泵装置虹吸式出水流道的内流动特性，定性地分析了虹吸式出水流道内流场特征并定量地研究了多工况条件下虹吸式出水流道内水力损失及特征断面水流流态的差异。颜士开 采用 方法对某大型待建泵站斜式泵装置的出水流道偏流问题进行了研究，分析了环量对出水流道水流特性的影响，认为环量是出水流道水流产生偏流的本质原因，并提出通过中隔墩对出水流道进行优化。颜红勤 采用 技术对卧式泵站直管式出水流道进行数值模拟计算，通过改变出水流道型线，分析了出水流道内部流动特性及水力损失影响。目前针对低驼峰式出水流道水力特性及其优化的研究鲜有报道。本文借助三维数值模拟手段，对某大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水流流场进行计算分析，针对其存在的不良流态采用合理有效的整流措施并进行几何参数优化，研究成果可为泵站工程应用低驼峰出水流道优化设计提供量化的指标和科学的理论依据。计算模型与方法 几何模型本文以浙江省某泵站为研究对象，建立了整体泵站计算模型，包括进水池、进水流道进口段、低驼峰式出水流道及出水池，如图 所示。其中水泵叶轮直径 为 ，设计流量为 为 ，此外由于叶片木模图涉及知识产权，未考虑叶轮对水流的影响。图 泵装置肘形进水流道、低驼峰式出水流道几何模型南昌工程学院学报 年 控制方程泵站整体模型内的水流流动可看作定常不可压缩流动，其控制方程可表示为时均化的连续性方程和动量方程（方程组）：连续性方程：()，（）动量方程：（）（）()，（）式中，分别表示流体 和 方向的坐标分量；，分别表示流体 和 方向的流速；为物理时间；和分别为流体的密度和动力黏性系数；为雷诺应力项；为广义源项。边界条件在进行 数值求解时，为模拟出泵站模型中真实的水流流动情况，需要给出计算域合理的边界条件 。在浙江省某泵站整体模型的数值模拟研究中，进口边界采用速度进口条件，在泵站进水口处给定流速大小及其流动方向，由于进口处很难直接获得精确的速度场分布，故在模拟中沿进水口反向延长 的距离（为进水口湿周），以使得水流充分流动后在进水口处符合实际流速分布；出口边界采用自由出流条件（）；进水池、出水池、进水流道、出水流道、水泵中直段和中隔墩与水流接触的表面均设置为壁面（）；进水池和出水池自由水面波动可以忽略不计，则考虑“刚盖假定”设置为对称面（）；控制方程的离散采用有限体积法（）；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，压力和速度的耦合采用 算法。湍流模型根据 涡黏性假定，可建立雷诺应力与平均速度梯度的关系。目前在泵站工程中闭合 方程组应用最为广泛的是 两方程涡粘模型，将关于湍动能 和耗散率 的方程分别引入数值计算中，主要包括标准 模型，模型和 模型。其中标准?模型假定湍动黏度 各向同性，为最基本的两方程涡粘模型 ；模型在标准 模型的基础上进行改进，模型中 考虑了旋转及旋流对平均流动的影响，使其在强旋流或弯曲壁面流场中有较好的应用 ；而 模型中，为避免大时均应变率情况标准 模型可能导致负的正应力，将湍动能计算系数 与应变率建立联系 。目前在泵站工程领域 模型各方面表现出色，但也有不少学者认为 模型与 模型同样适用于泵站模型的模拟。目前尚没有一个适用于所有湍流问题的模型，因此需要对湍流模型进行选取与验证。对如图 所示的几何模型进行物理模型试验，模型泵采用南水北调同台试验的 水力模型，其叶轮为青铜材质，叶轮直径 。模型泵装置包括肘形进水流道至低驼峰式出水流道出口之间的全过流结构，装置模型试验按欧拉准则（即 ）进行，设计工况下的模型泵装置雷诺数 。在试验台上，模型泵装置的结构满足稳固安装与平稳运行的要求，同时其轴系的设计也满足在额定试验转速下稳定运行的要求。在进水流道进、出口选取 个合适的测压点进行压差监测，获得两个测压点压差随流量的变化关系。然后，对物理模型试验工况采用 种湍流模型相应地进行了数值模拟计算，定量地对比分析不同湍流模型对进、出水流道整体模型的流场预测能力。图 为进、出水流道整体模型试验和数值模拟中湍流模型分别为标准 模型，模型和 模型的数值计算的进水流道两测压点压差随水泵流量的变化趋势。从图 中可以看出，无论模型试验或是数值模拟，进水流道压差均随着水泵流量的增大而增大，三种湍流模型数值计算结果均比模型试验结果小，但 湍流模型计算的值与物理试验结果最接近，由此可见采用基于 湍流模型的 方法对肘形进水流道、低驼峰式出水流道整体模型的水流流动进行数值模拟，可以较好地反映出整体模型中水流的流动特性。网格剖分及网格无关性分析在数值模拟中，网格不仅是计算域的几何表达形式，也是数值求解物理量的重要载体，网格质量的好与坏直接关系到数值计算的精度和效率，同样影响了计算结果的正确性与可靠性。泵站肘形进水流道、低驼峰式出水流道的计算域主要包括进水池、肘形进水流道、低驼峰式出水流道、出水池以及进水流道与出水流道之间的过渡段，由于肘形进水流道和低驼峰式出水流道几何形状复杂，均存在不同程度第 期斯静，等：基于 模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究图 湍流模型数值模拟与试验结果对比的弯曲。因此采用几何适应性较好的非结构化网格。随着网格数增大，网格引起的离散误差会逐渐减小，但也受计算机性能的限制，为兼顾数值模拟的预测精度和计算资源的最大化利用，对泵站肘形进水流道、低驼峰式出水流道整体模型计算域的网格量进行网格无关性分析。在网格无关性分析时，选取网格单元数为 、的 套网格剖分方案，采用相同的数值方法和边界条件进行数值计算，对泵站模型上 个测压点处的压强进行采集并进行差压分析。图 为泵站整体模型的网格无关性分析的结果。从图 可以看出，随着网格量的增大，压差越来越大。当网格数大于 时，随着网格单元数的增加，进水流道两个测压点之间的压差相对变化值小于 ，因而肘形进水流道、低驼峰式出水流道泵站整体模型计算域的数量取 。对于肘形进水流道和低驼峰式出水流道等主要过流部件，其边界层处距离壁面第一层网格 。图 泵站整体模型的网格无关性分析 三维流动数值计算结果分析 原方案出水流道水力特性对图 所示的肘形进水流道、低驼峰式出水流道泵站整体模型进行计算，计算工况为大流量工况 、中流量工况 和小流量工况 ，通过空间流线和平面涡量分布对流场进行分析。通过数值模拟计算得到的空间流场分布可以明显看出，随着水泵流量的增大叶轮段的流速分布逐渐增大。进水流道中空间流线随着过流断面收缩而收敛、平滑，但是低驼峰式出水流道空间流线随着过流断面的扩散而扭曲，并且随着流量的逐渐减小，流线扭曲程度逐渐加强。为了充分了解原方案低驼峰式出水流道内流场分布，对出水流道中心对称剖面（）、沿流向右侧距中心对称面 的剖面（）和沿流向左侧距中心对称面 的剖面（）个观测剖面的涡量图进行分析。图 为原方案 个流量工况通过数值模拟计算得到的涡量分布，其中图 （）（）为 工况剖面涡量分布图，图 （）（）为 工况剖面涡量分布图，图 （）（）为 工况剖面涡量分布图，从 个工况条件下的对称面涡量分布可以看出，低驼峰式出水流道顶部前端存在小范围逆时针旋流、底部高程弯曲段同样存在小范围逆时针旋流（从矢量图中可以发现，而涡量显示范围较大）；随着观测平面向左偏移，出水流道顶部前端的涡量范围逐渐减小；而随着观测平面向右偏移，出水流道顶部前端的涡量范围逐渐增大，这可能是受到水泵直管段内涡量的扰动。三种工况在下降段均存在不同程度的涡流，在中间断面上小流量工况涡量分布不连续但涡量较小。不同宽度中隔墩对出水流道流场的影响为消除低驼峰式出水流道上升段前端和下降段下部存在的旋流，拟通过在出水流道设置中隔墩以降低甚至消除旋流对出水流道水力条件的影响。图为出水流道隔墩示意图，其中隔墩长度为 ，隔墩宽度为。在研究中考虑隔墩对出水流道流态影响的同时，兼顾了中隔墩几何特性对流场的影响，先拟定隔墩长度 为 ，根据工程实际情况选取 个不同的隔墩宽度包括 、和 进行数值计算。鉴于篇幅所限，在模拟时仅考虑原方案出水流道流场更复杂的小流量工况。南昌工程学院学报 年图 原方案出水流道剖面涡量分布图图 低驼峰式出水流道中隔墩示意图在小流量工况（）条件下对低驼峰式出水流道不同中隔墩宽度进行模拟得到的空间流场分布，与原方案小流量工况下出水流道流场对比发现，在 种不同中隔墩宽度出水流道的流场中均无明显的旋流，在出水流道中布置中隔墩可以有效改善水流流场的空间分布。图 为不同宽度中隔墩出水流道在小流量工况（）下通过数值模拟计算得到的涡量分布，其中图 （）（）为 工况剖面涡量分布图，图 （）（）为 工况剖面涡量分布图，图 （）（）为 工况剖面涡量分布图。与图 所示的原方案出水流道小流量工况剖面涡量分布相比发现，当给定宽度 和 的中隔墩将低驼峰式出水流道中间断面的旋流消除了（中隔墩占据了对称面处的旋流），但是中隔墩两侧的流场优化却不明显；当 时中隔墩两侧的涡量场明显降低，但驼峰前端因设置了中隔墩在对称面上出现了微弱的旋流。相较而言，宽度 中隔墩方案优化效果最明显。水头损失是判别出水流道优化方案好坏的另一个重要指标，为了分析在低驼峰式出水流道中设置中隔墩对水头损失的影响，需对图 所示的两个过流断面之间的水头损失进行计算。图 所示为不同中隔墩宽度方案下低驼峰式出水流道的水头损失，其中点划线为优化方案设置了不同宽度中隔墩条件下的出水流道水头损失，实线为原方案不设置中隔墩条件下的出水流道水头损失，从中可以看出相较原方案设置中隔墩的出水流道增加了出水流道中的水头损失，这是由于设置中隔墩减小了出水流道的过流面积从而增大了水头损失，其中宽度 的中隔墩方案水头损失最小，宽度 的最大。第 期斯静，等：基于 模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究图 不同宽度中隔墩出水流道剖面涡量分布图图 低驼峰式出水流道水头损失计算断面图 不同宽度中隔墩的低驼峰式出水流道水头损失 不同长度中隔墩对出水流道流场的影响为进一步地对低驼峰式出水流道中隔墩的长度参数进行优化，拟在 、方案（图 ）的基础上，通过改变中隔墩长度增加两个对比方案，分别为墩首固定、墩尾缩短 即 、方案（图 ）和墩尾固定、墩首缩短 即 、方案（图 ）。同样在流量 的条件下对另外两种不同中隔墩长度方案进行计算，对比分析不同中隔墩长度对出水流道水力特性的影响。通过模拟增加的两个中隔墩长度对比方案的出水流道流场，与 、方案空间流线图进行对比发现，中隔墩墩首缩短 后空间流线分布略有紊乱，中隔墩墩尾缩短 后空间流线分布明显紊乱，这是由于墩首和墩尾缩短均增加了出水流道水流的流动空间，但是墩首缩短仅使得水流更加自由，而墩尾缩短造成的尾涡现象更加明显。图 为小流量工况（）下不同宽度中隔墩出水流道剖面涡量分布图，其中图 （）（）为墩尾缩短 方案工况剖面涡量分布图，图 （）（）为墩首缩短 方案工况剖面涡量分布图，与图 所示中隔墩 的剖南昌工程学院学报 年面涡量分布进行对比发现，缩短中隔墩长度使得中隔墩左右两侧的流场发生了明显恶化，两侧涡量范围和强度由于中隔墩墩首或墩尾的缩短而得到了增大。此外，当中隔墩从墩首缩短时，驼峰顶部涡量明显增大，而从墩尾缩短时，低驼峰出水流道与出水池交界处涡量分布极其不均匀。图 所示为不同中隔墩长度方案下低驼峰式出水流道的水头损失，从图中可以看出墩首缩短方案和墩尾缩短方案均增大了水头损失，这是因为中隔墩从墩首和墩尾缩短均使得水流产生了涡流，从水头损失的大小来看墩尾缩短比墩首缩短造成的能量损失更严重。综合而言，在低驼峰式出水流道中设置长度为 、宽度为 的中隔墩尽管产生了比原方案略高的水头损失，但是出水流道内的流场得到了较大的优化。图 中隔墩长度参数示意图图 不同长度中隔墩出水流道剖面涡量第 期斯静，等：基于 模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究图 不同长度中隔墩的低驼峰式出水流道水头损失 结论出水流道的优化设计对大型泵站的合理布局、运行稳定及工程投资等重大问题具有重要意义。本文对肘形进水流道、低驼峰式出水流道整体泵站模型进行建模，运用三维数值模拟方法结合泵站装置模型试验对低驼峰式出水流道进行水力优化，得到以下主要结论：（）采用基于 方程的数值方法对肘形进水流道、低驼峰式出水流道的泵站整体模型的水流流场进行三维数值模拟，将数值计算结果与物理模型试验结果进行对比，结果表明 湍流模型的计算结果与对应物理模型试验结果较吻合；在肘形进水流道、低驼峰式出水流道的泵站整体模型计算域上采用几何适应性较好的非结构化网格的剖分方式对其进行了网格无关性分析，得出泵站整体模型计算域的网格单元数取 时既满足数值精度又满足计算资源最大化利用的要求。（）对泵站低驼峰式出水流道进行建模并计算发现在低驼峰式出水流道中布置中隔墩可以消除出水流道下降段中存在的旋流，有效改善了低驼峰式出水流道中的水流流场；合理设置中隔墩的宽度可以在保证出水流道流场分布基本不变的前提下降低水头损失，但过分增大或减小中隔墩宽度则会增加水头损失；从墩首或墩尾缩短中隔墩长度均会恶化出水流道中的水流流场并增大水头损失。（）本文仅从单因素出发对低驼峰式出水流道中隔墩的几何特性进行优化，但是中隔墩长度和宽度的单一变化对水流特性的影响可能相互制约，多因素联合多目标的几何优化整流措施有待进一步研究。参考文献：冯卫民 水泵及水泵站 北京：中国水利水电出版社，：陆林广，吴开平，冷豫，等 泵站出水流道模型水力损失的测试 排灌机械，（）：陈松山，何钟宁，屈磊飞，等 泵站钟形出水流道水力特性试验及内流场分析 水泵技术，（）：陈松山，何钟宁，周正富，等 低扬程泵站箱涵式出水流道水力特性试验 农业机械学报，（）：李彦军，严登丰，颜红勤，等 大型泵站蜗壳出水流道型线的优化与试验 排灌机械，（）：王福军 水泵与泵站流动分析方法 北京：中国水利水电出版社，：王寅，沈火林，王玲玲，等 不同波幅条件下内孤立波对柱体作用机制研究 南昌工程学院学报，（）：陆林广，杲东彦 大型泵站斜式出水流道优化水力设计 农业机械学报，（）：陆林广，杲东彦，祝婕 大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计 农业机械学报，（）：陆林广，吴开平，冷豫，等 大型低扬程泵站直管式出水流道优化水力设计 农业机械学报，（）：朱红耕 大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析 中国给水排水，（）：朱红耕，袁寿其，刘厚林，等 大型泵站蜗壳式出水流道三维紊流数值模拟 农业机械学报，（）：李彦军，颜红勤，葛强，等 泵站虹吸式出水流道优化设计 排灌机械，（）：付强，朱荣生，王秀礼，等 防洪排涝泵站出水流道 优化设计 中国农村水利水电，（）：梁金栋，陆林广，刘荣华，等 中隔墩对大型泵站出水流道水力性能的影响 排灌机械工程学报，（）：顾巍，成立，蒋红樱，等 立式轴流泵装置虹吸式出水流道水力特性 研究 江苏水利，（）：颜士开 大型斜式泵装置出水流道偏流问题研究 扬州：扬州大学，：颜红勤，蒋红樱，周春峰，等 卧式泵站直管式出水流道型线变化水力性能数值模拟 中国农村水利水电，（）：，：，：，：，（）：，（）：南昌工程学院学报 年